∑-△ADC

∑-△ADC簡介

　　近年來，隨著超大規(guī)模集成電路制造水平的提高，Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器正以其分辨率高、線性度好、成本低等特點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用。Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器方案早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)有人提出，然而，直到不久前，在器件商品化生產(chǎn)方面，這種工藝還是行不通的。今天，隨著1微米技術(shù)的成熟及更小的CMOS幾何尺寸，Σ-Δ結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將會越來越多地出現(xiàn)在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域中。特別是在混合信號集成電路（Mixed-signal ICs，指在單一芯片中集成有模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字信號處理器功能的集成電路芯片）中。目前，Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要用于高分辨率的中、低頻（低至直流）測量和數(shù)字音頻電路。用于低頻測量的典型芯片有16位分辨的AD7701，24位分辨的AD7731等；用于高品質(zhì)數(shù)字音頻場合的典型芯片有18位分辨率的AD1879等。隨著設(shè)計和工藝的水平的提高，目前已經(jīng)出現(xiàn)了高速Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。例如AD7723（1.2MSPS），AD9260（2.5MSPS）等。

∑-△ADC百科

　　近年來，隨著超大規(guī)模集成電路制造水平的提高，Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器正以其分辨率高、線性度好、成本低等特點(diǎn)得到越來越廣泛的應(yīng)用。Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器方案早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)有人提出，然而，直到不久前，在器件商品化生產(chǎn)方面，這種工藝還是行不通的。今天，隨著1微米技術(shù)的成熟及更小的CMOS幾何尺寸，Σ-Δ結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將會越來越多地出現(xiàn)在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域中。特別是在混合信號集成電路（Mixed-signal ICs，指在單一芯片中集成有模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及數(shù)字信號處理器功能的集成電路芯片）中。目前，Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要用于高分辨率的中、低頻（低至直流）測量和數(shù)字音頻電路。用于低頻測量的典型芯片有16位分辨的AD7701，24位分辨的AD7731等；用于高品質(zhì)數(shù)字音頻場合的典型芯片有18位分辨率的AD1879等。隨著設(shè)計和工藝的水平的提高，目前已經(jīng)出現(xiàn)了高速Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品。例如AD7723（1.2MSPS），AD9260（2.5MSPS）等。

　　2. ∑–△型ADC的理論基礎(chǔ)

　　與一般的ADC不同，∑–△型ADC不是直接根據(jù)抽樣數(shù)據(jù)的每一個樣值的大小進(jìn)行量化編碼，而是根據(jù)前一量值與后一量值的差值即所謂的增量的大小來進(jìn)行

　　量化編碼。從某種意義上講，它是根據(jù)信號波形的包絡(luò)線進(jìn)行量化編碼的。∑–△型ADC由兩部分組成，第一部分為模擬∑–△調(diào)制器，第二部分為數(shù)字抽取濾波器，如下圖所示。

　　∑–△調(diào)制器以極高的抽樣頻率對輸入模擬信號進(jìn)行抽樣，并對兩個抽樣之間的差值進(jìn)行低位量化，從而得到用低位數(shù)碼表示的數(shù)字信號即∑–△碼；然后將這種∑–△碼送給第二部分的數(shù)字抽取濾波器進(jìn)行抽取濾波，從而得到高分辨

　　率的線性脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號。因此抽取濾波器實際上相當(dāng)于一個碼型變換器。由于∑–△調(diào)制器具有極高的抽樣速率， 通常比奈奎斯特抽樣頻率高出

　　許多倍，因此∑–△調(diào)制器又稱為過抽樣ADC轉(zhuǎn)換器。這種類型的ADC采用了極低位的量化器， 從而避免了制造高位轉(zhuǎn)換器和高精度電阻網(wǎng)絡(luò)的困難；另一方面，因為它采用了∑–△調(diào)制技術(shù)和數(shù)字抽取濾波，可以獲得極高的分辨率；同時由于采用了低位量化輸出的∑–△碼，不會對抽樣值幅度變化敏感，而且由于碼位低，抽樣與量化編碼可以同時完成，幾乎不花時間，因此不需要采樣保持電路，這就使得采樣系統(tǒng)的構(gòu)成大為簡化。這種增量調(diào)制型ADC實際上是以高速抽樣率來換取高位量化，即以速度來換精度。

　　從調(diào)制編碼理論的角度看，多數(shù)傳統(tǒng)的ADC，例如并行比較，逐次逼近型等，均屬于線性脈沖編碼調(diào)制（LPCM，Linear Pulse Code Modulation）類型。這類ADC根據(jù)信號的幅度大小進(jìn)行量化編碼，一個分辨率位n的ADC其滿刻度電平被分為2n個不同的量化等級，為了能區(qū)分這2n個不同的量化等級需要相當(dāng)復(fù)雜的電阻（或電容）網(wǎng)絡(luò)和高精度的模擬電子器件。當(dāng)位數(shù)n較高時，比較網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)是比較困難的，因而限制了轉(zhuǎn)換器分辨率的提高。同時，由于高精度的模似電子器件受集成度，溫度變比等因素的影響，進(jìn)一步限制了轉(zhuǎn)換器分辨率的提高。

　　∑–△型ADC與傳統(tǒng)的LPCM型ADC不同，它不是直接根據(jù)信號的幅度進(jìn)行量化編碼，而是根據(jù)前一采樣值與后一采樣值之差（即所謂增量）進(jìn)量化編碼，從某種意義上來說它是根據(jù)信號的包絡(luò)形狀進(jìn)行量化編碼的。從這一點(diǎn)上看，它與跟蹤計數(shù)型ADC有一點(diǎn)類似。

　　△表示增量，∑表示積分或求和。在下面可以看到，∑–△型ADC采用了極低位的量化器（通常是1位），從而避免了LPCM型ADC在制造時面臨的很多困難，非常適合用MOS技術(shù)實現(xiàn)。另一方面，又因為它采用了極高的采樣速率和∑–△調(diào)制技術(shù)，可以獲得極高的分辨率。同時，由于它采用低位量化，不會像LPCM型ADC那樣對輸入信號的幅度變化過于敏感。

　　與傳統(tǒng)LPCM型ADC相比，∑–△型ADC實際上是一種用高采樣速率來換取高位量化，即以速率換分辨率的方案。

　　過采樣（Oversampling）技術(shù)是改善模數(shù)轉(zhuǎn)換器總體性能諸多技術(shù)中的一種。∑—△結(jié)構(gòu)的ADC是一種內(nèi)在的過采樣轉(zhuǎn)換器。∑—△型ADC以很低的采樣分辨率（1位）和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，通過使用過采樣技術(shù)，噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)增加有效分辨率，然后對ADC輸出進(jìn)行抽?。―ecimation）處理，以降低ADC的有效采樣速率，去除多余信息，減輕數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)。由于∑—△型ADC所使用的1位量化器（即1位比較器）和1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（為一開關(guān)）具有良好的線性，所以∑—△型ADC表現(xiàn)出的微分線性和積分線性性能是非常優(yōu)秀的，并且，不像其它類型的ADC那樣，它無需任何的修調(diào)。

　　3. 一階∑–△型ADC的基本原理

　　要了解∑—△型ADC的工作原理，必須熟悉過采樣，噪聲整形，數(shù)字濾波和采樣抽取等幾個基本概念。下圖是一階∑—△型ADC含有非常簡單的模擬電路（一個比較器，一個開關(guān)，一個或幾個積分器及模擬求和電路）和十分復(fù)雜的數(shù)字信號處理電路。

　　一階∑—△型ADC

　　Σ-Δ轉(zhuǎn)換器具有相對簡單的結(jié)構(gòu)，又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器由Σ-Δ調(diào)制器（虛線框內(nèi)）及連接于其后的數(shù)字濾波器構(gòu)成。調(diào)制器的結(jié)構(gòu)非常近似于雙斜率ADC，包括一個積分器和一個比較器，以及含有一個1位ADC的反饋環(huán)。這個內(nèi)置的DAC僅僅是一個開關(guān)，它將積分器輸入切換到一個正或負(fù)的參考電壓。Σ-ΔADC還包括一個時鐘單元，為調(diào)制器和數(shù)字濾波器提供適當(dāng)?shù)亩〞r。

　　下圖是輸入Vin＝0和Vin＝＋Vref/4兩種情況下，電路中各點(diǎn)的電壓波形示意圖?？梢钥闯鰞煞N情況下，C點(diǎn)輸出的碼流中“0”和“1”的個數(shù)是不一樣的。

　　波形圖

　　窄帶信號送入Σ-ΔADC后被以非常低的分辨率（1位）進(jìn)行量化，但采樣頻率卻非常高，如2MHz或更高。經(jīng)過數(shù)字濾波處理后，這種過采樣被降低到一個比較低的采樣率，如8KHz左右，同時ADC的分辨率（即動態(tài)范圍）被提高到16位或更高，盡管比流水線ADC要慢且限于比較低的輸入帶寬，這種Σ-Δ技術(shù)在模數(shù)轉(zhuǎn)換器市場上仍占據(jù)了很重要的位置。它具有三個主要優(yōu)勢：

　　低價格、高性能（最高可到24位）

　　集成化的數(shù)字濾波

　　與DSP技術(shù)的兼容性便于實現(xiàn)系統(tǒng)集成

　　主要應(yīng)用在：音頻和測量

　　芯片實例：ADS1210系列：24位A/D轉(zhuǎn)換器。Burr-Brown公司

　　近年來，采用高分辨率的Σ-Δ型ADC頗為流行，它的一個突出優(yōu)點(diǎn)是在一片混合信號CMOS大規(guī)模集成電路上實現(xiàn)了ADC與數(shù)字信號處理技術(shù)的結(jié)合。這一技術(shù)的其它優(yōu)點(diǎn)：分辨率高達(dá)24位；比積分型及壓頻變換型ADC的轉(zhuǎn)換速率高； 采用混合信號CMOS工藝，可實現(xiàn)低價格、高分辨率的數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號處理；由于采用高倍頻過采樣技術(shù)，降低了對傳感器信號進(jìn)行濾波的要求，實際上取消了信號調(diào)理。缺點(diǎn)：當(dāng)高速轉(zhuǎn)換時，需要高階調(diào)制器；在轉(zhuǎn)換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型ADC的功耗高。

　　目前，Σ-Δ型ADC分為四類：（1）高速類ADC；（2）調(diào)制解調(diào)器類ADC；（3）編碼器類ADC；（4）傳感器低頻測量ADC。其中每一類Σ-Δ型ADC又分為許多型號，給用戶帶來極大方便。